Thèse CD - Core Stability et Force Athlétique Analyse Biomécanique de la Performance au Back Squat H/F

Doctorat_Gouv

Établissement : Université de Lorraine
École doctorale : BioSE - Biologie Santé Environnement
Laboratoire de recherche : DevAH - Développement, Adaptation et Handicap
Direction de la thèse : Gérôme GAUCHARD ORCID 0000000224899343
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-09T23:59:59

La compréhension des stratégies biomécaniques et neuromusculaires lors du squat à charge élevée est essentielle pour optimiser la performance. L'influence du sexe, de l'expertise et du port d'une ceinture de force reste peu documentée, en particulier chez les femmes. Cette thèse vise à caractériser ces stratégies en combinant deux études expérimentales en laboratoire. La première analysera les différences de stratégies musculo-squelettiques entre hommes et femmes experts. La seconde évaluera l'impact de l'expertise et du port d'une ceinture de force sur la performance et les déterminants biomécaniques chez des pratiquantes initiées et expertes. L'approche intégrative combinera cinématique 3D, cinétique et électromyographie pour étudier l'engagement du core stability, la coordination inter-segmentaire, la répartition des moments articulaires ainsi que le contrôle postural. Les résultats attendus permettront d'identifier des profils biomécaniques liés à la performance, de préciser l'influence du sexe, de l'expertise et de la ceinture, et de proposer des recommandations opérationnelles et inclusives pour l'entraînement et la prévention des blessures. Le projet contribuera également à combler le déficit de données concernant les femmes et à développer un « kit terrain » basé sur des indicateurs simples et des protocoles reproductibles en club.

Ce projet de thèse s'inscrit dans la continuité des travaux de thèse de Nicolas Hanen qui a caractérisé finement les stratégies cinématiques, cinétiques et neuromusculaires associées à des variantes techniques en force athlétique et plus spécifiques en soulevé de terre. Ces travaux ont mis en évidence une variabilité interindividuelle, notamment en termes de stratégies articulaires (hanche, genou), mais aussi une implication différentielle du core, qui traduit la capacité à contrôler la position et le mouvement du tronc par rapport au pelvis, sur les deux variantes de soulevé de terre. Dans la continuité, le projet Core-Squat vise à transposer cette démarche au squat, mouvement central en force athlétique, en raison de son rôle déterminant dans la production de force et de puissance, deux qualités majeures de la performance sportive. Présent dans de nombreux sports, le squat est un exercice de référence pour développer la capacité à produire, absorber et transférer des forces, en particulier au niveau des membres inférieurs et du complexe lombo-pelvien. À ce titre, il s'intègre pleinement à la préparation physique générale ; une compréhension fine des relations biomécaniques musculo-articulaires permet alors d'affiner les prescriptions et de renforcer la pertinence des recommandations en matière d'optimisation de la performance. Ce projet vise donc à approfondir l'analyse biomécanique des mouvements de force athlétique et à répondre aux enjeux d'optimisation de la performance identifiés dans le cadre de la collaboration entre le centre d'expertise CARE (Université de Lorraine) et les Fédérations Françaises de Force et d'Haltérophilie-Musculation.
La force athlétique repose sur trois mouvements fondamentaux (squat, développé couché, soulevé de terre) réalisés à charges sous-maximales à l'entraînement et maximales en compétition. Parmi eux, le squat constitue un exercice central en préparation physique (Caterisano et al., 2002 ; Schoenfeld, 2010). Le back squat est la variante utilisée en compétition.
D'un point de vue biomécanique, le squat est une tâche polyarticulaire complexe impliquant une coordination fine des mouvements de flexion/extension de la cheville, du genou et de la hanche, tout en exigeant une stabilisation active du rachis et du bassin. Les travaux récents consacrés à l'optimisation de la performance et à la prévention des blessures associées au squat se sont principalement attachés à divers aspects, notamment l'activation des muscles moteurs principaux, les analyses comparatives de différentes techniques de squat (squat avant versus squat arrière) (Santos Junior et al., 2021 ; Warneke et al., 2023), ainsi que l'influence des variations de largeur des appuis et de l'amplitude du mouvement sur la cinématique, la cinétique et l'activité électromyographique lors du squat (Larsen et al., 2021 ; Barrett et al., 2023). En ce sens, la littérature indique que la performance en squat et les contraintes mécaniques résultent d'interactions entre (i) la cinématique segmentaire (orientation du tronc, inclinaison tibiale, trajectoire de barre) (Straub & Powers, 2024), (ii) la cinétique (orientation des forces de réaction au sol, largeur des appuis, position et déplacement du centre de gravité, moments articulaires à la hanche/genou/cheville) (Escamilla et al., 2001 ; Swinton et al., 2012 ; Lahti et al., 2019), et (iii) l'organisation neuromusculaire (amplitudes et pattern d'activation EMG, co-contraction agonistes-antagonistes, coordination inter-musculaire) (Caterisano et al., 2002 ; Gorsuch et al., 2013 ; Da Silva et al., 2017). Pour autant, l'interprétation des résultats portant sur le squat demeure complexe, dans la mesure où de nombreuses études ne contrôlent pas l'ensemble des paramètres modulables lors de l'évaluation de l'influence d'une variable spécifique. Par exemple, une inclinaison antérieure du tibia accroît le moment de flexion du genou, tandis qu'une inclinaison plus marquée du tronc tend à le diminuer (Straub & Powers, 2024). Ainsi, considérer isolément le degré d'inclinaison du tibia sans intégrer sa relation avec l'inclinaison du tronc peut conduire à une interprétation erronée des contraintes biomécaniques appliquées à l'articulation du genou. La littérature montre notamment que la relation « tronc-tibia » module la distribution des moments articulaires hanche/genou selon l'amplitude, avec des implications à la fois pour la contrainte articulaire et l'organisation du mouvement de squat (Salem & Powers, 2001 ; Zavala et al., 2021 ; Straub & Powers, 2024). Dans cette perspective, la question du Core Stability devient centrale ; en renvoyant à la capacité à contrôler le tronc sur le bassin malgré la charge pour optimiser la production et surtout le transfert de force, un contrôle constant pendant l'exécution du squat favorise une technique plus reproductible, notamment dans la relation entre l'inclinaison du tronc et celle du tibia (Kibler et al., 2006 ; Ray et al., 2017).
La performance en squat peut alors être entendue comme la capacité à produire un niveau élevé de force tout en préservant une organisation technique compatible avec la répétabilité du geste et la gestion des contraintes. Or, l'apport du Core à cette performance ne peut pas être considéré indépendamment de facteurs individuels et contextuels susceptibles de modifier simultanément la cinématique, la cinétique et l'activité neuromusculaire, et donc les déterminants mêmes de la performance. Premièrement, le sexe constitue un facteur à considérer car il peut s'accompagner de différences interindividuelles (morphologie, distribution des masses, capacités de production/contrôle) susceptibles de se traduire par des organisations de mouvement distinctes et, par conséquent, par des profils biomécaniques différents à performance apparente équivalente (Escamilla et al., 2001 ; Swinton et al., 2012 ; Straub & Powers, 2024). Deuxièmement, le niveau d'expertise au squat est susceptible d'influer sur la performance non seulement via la force maximale, mais aussi via la stabilité technique (variabilité inter-répétitions), la capacité à maintenir des relations segmentaires efficaces (dont le couple tronc-tibia) et, potentiellement, des modes de coordination neuromusculaire plus économes ou mieux adaptés à la charge (Straub & Powers, 2024 ; Caterisano et al., 2002 ; Gorsuch et al., 2013 ; Da Silva et al., 2017). Troisièmement, le port d'une ceinture abdominale représente un levier externe de modification des conditions mécaniques et de contrôle du tronc : malgré des effets documentés sur la pression intra-abdominale et certains paramètres neuromusculaires en situation de levage, les résultats restent hétérogènes, notamment à intensité élevée, et son impact fonctionnel sur les déterminants de la performance (production/transfer de force, reproductibilité technique, répartition des moments hanche/genou) demeure à clarifier (McGill et al., 1990 ; McGill, 1993).
Ainsi, compte tenu (i) du nombre limité d'études portant sur les facteurs cinématiques et neuromusculaires du Core et (ii) de l'absence d'un cadre intégratif combinant les différentes dimensions biomécaniques et les facteurs sexe, expertise et port de ceinture, l'influence de l'activation et de l'engagement du Core pendant le squat mérite d'être investiguée de manière approfondie dans le cadre des stratégies d'optimisation de la performance sportive (Kibler et al., 2006 ; Walsh et al., 2007 ; DeBeliso et al., 2013 ; Ray et al., 2017 ; Babkair et al., 2025).

Dans le back squat lourd, la performance caractérisée par la charge relative (Zourdos et al., 2016) et la régulation des contraintes mécaniques résultent d'interactions entre cinématique, cinétique et organisation neuromusculaire. Dans ce cadre, l'activation et l'engagement du Core constituent un déterminant potentiel de la stabilité, du transfert de force et de la répartition des contraintes, mais leur influence reste insuffisamment caractérisée, notamment en considérant trois sources majeures de variabilité, à savoir le sexe, l'expertise et le port d'une ceinture de force.
Dans ce contexte, le but de ce travail est de caractériser la contribution du Core à la performance et à la régulation des contraintes mécaniques lors du back squat lourd au moyen d'une approche intégrative combinant analyse cinématique, analyse cinétique et analyse électromyographique, en structurant l'investigation en deux études complémentaires, la première centrée sur l'effet du sexe et la seconde centrée sur l'effet de l'expertise et du port de ceinture. Afin d'assurer une interprétation méthodologiquement robuste, les paramètres d'exécution susceptibles d'influencer les résultats (p. ex. amplitude/profondeur, largeur des appuis, tempo, consignes techniques) seront soit standardisés, soit enregistrés et pris en compte dans l'analyse.
De manière spécifique, l'étude 1 vise à comparer, entre femmes et hommes, la contribution du Core à la performance et à la régulation des contraintes lors du back squat lourd, en caractérisant conjointement (i) la cinématique (relations tronc-tibia, coordination hanche-genou et déplacement du COP), (ii) la cinétique (moments articulaires hanche/genou), et (iii) l'organisation neuromusculaire (indices de co-contraction des muscles du tronc). L'étude 2 vise à déterminer, chez les femmes, l'effet du niveau d'expertise (experts vs initiés) et du port d'une ceinture de force (avec vs sans), ainsi que leur interaction, sur la performance et les paramètres biomécaniques retenus pour l'étude 1.
Trois hypothèses sont posées. La première (H1) suppose que les profils cinématiques, cinétiques et neuromusculaires liés au Core diffèrent selon le sexe, avec des conséquences mesurables sur la performance et/ou la répartition des moments articulaires. La deuxième hypothèse (H2) suppose que les pratiquants experts présentent des stratégies plus efficientes et/ou plus stables que les initiés (meilleur contrôle du Core, meilleur control postural, meilleur coordination), associées à une meilleure performance. La troisième hypothèse (H3) suppose que le port de ceinture modifie la stratégie de stabilisation du tronc (cinématique et neuromusculaire) et, en interaction avec le niveau d'expertise, influence la cinétique ainsi que la performance lors du back squat lourd.

- Etude 1 - Etude de l'effet du sexe
Contexte
Les différences physiologiques et anatomiques liées au sexe constituent un déterminant majeur de la performance sportive. Classiquement, selon les exigences de l'épreuve, des écarts de l'ordre de 10 à 30% en endurance, en force maximale, en puissance et en vitesse sont observés en faveur des hommes (Hunter et al., 2023). Ces différences sont principalement attribuées à une masse musculaire plus importante, à une section transversale musculaire plus élevée, à des variations de composition en fibres ainsi qu'à l'influence des hormones sexuelles sur le développement neuromusculaire. Par ailleurs, les différences de configuration osseuse contribuent également aux spécificités biomécaniques observées entre les sexes. L'antéversion acétabulaire et fémorale, par exemple, influence les amplitudes articulaires, notamment en flexion de hanche, en modifiant le moment ou le col fémoral entre en contact avec le rebord acétabulaire (Higgins et al., 2014). Ces déterminants morphologiques et endocriniens influencent directement les capacités de production de force, la rigidité musculo-tendineuse et la mécanique articulaire.
Dans le cadre de la biomécanique du squat, ces différences de sexe interrogent la manière dont les hommes et les femmes construisent leurs stratégies : Déplacement du COP, répartition de la charge entre hanche et genou, relation tronc-tibia, coordination hanche-genou (cinématique/temporalité) et engagement du core stability au travers de l'activation musculaire des agonistes/antagonistes du tronc. Ainsi, l'étude simultanée des différentes variables caractérisant le squat, notamment les variables cinématiques, cinétiques et électromyographiques, permettra d'évaluer les stratégies d'adaptation de l'appareil musculo-squelettique en fonction du sexe.

Design expérimental
Population
Deux groupes de participants experts (30 hommes et 30 femmes) seront recrutés au travers des clubs de force athlétique et des salles de sport de la Métropole du Grand Nancy et de l'Eurométropole de Metz, et au travers d'une collaboration avec la Fédération Française de Force. Les athlètes seront considérés comme experts s'ils pratiquent le back squat de manière régulière et continue depuis au moins 3 ans, et présentent un niveau de force correspondant à une performance minimale de 130% de leur masse corporelle pour les femmes et 150% pour les hommes (Santos Junior et al., 2021). Ils seront âgés de 18 à 40 ans et n'auront pas réalisé de compétitions dans les 3 jours précédant les mesures. De plus, ils ne présenteront pas de troubles neurologiques ou orthopédiques, de blessures datant de moins de 2 mois avant le début de l'étude, ou de douleurs la semaine précédant l'étude. Un calcul a priori de la taille de l'échantillon a été réalisé à l'aide de G*Power (version 3.1.9.4, Université de Düsseldorf, Allemagne). La taille de l'échantillon, estimée sur la base d'une taille d'effet de 0,8 pour atteindre une puissance de 80 % avec un seuil alpha de 0,05, était de 26 participants/groupe.
Les données anthropométriques recueillies seront l'âge, la taille, la masse et la taille des membres inférieurs et supérieurs. Les participants, ainsi que leurs entraîneurs et l'encadrement médical seront informés des objectifs, des bénéfices et des risques de l'étude.

Protocole
La procédure expérimentale se déroulera en trois phases principales : i) un échauffement standardisé, ii) une détermination individualisée du 1RM à l'aide d'un protocole de charge incrémentale, et iii) une phase de test réalisée dans des conditions de charge sous maximale fixé à 90 % de la 1RM déterminée.
-Protocole d'échauffement et d'ajustement du 1RM
Les participants effectueront un échauffement standardisé composé de 5 minutes d'exercice à faible intensité sur un ergomètre suivi de 10 répétitions de soulevé de terre jambes tendues, 10 répétitions de rowing barre penchée, puis 10 répétitions de squat avec une charge correspondant à 35 % de la 1RM déclarée par le participant. L'estimation du 1 RM du back squat sera ensuite ajustée à l'aide d'un protocole incrémental basé sur la relation charge vitesse (Morán-Navarro et al., 2021). Des séries seront effectuées à 50 %, 70 %, 80 % et 90 % du 1RM déclarée, avec trois répétitions par charge réalisées à vitesse concentrique maximale. Des temps de repos progressifs (1 min 30, 2 min et 2 min 30) seront appliqués entre les séries afin de limiter la fatigue.
-Analyse biomécanique à 90% du 1RM
Après le protocole d'échauffement et d'ajustement de la charge correspondant à 1RM et à l'issue d'une période de récupération de 3 minutes, chaque participant réalisera des back squats à 90 % de son 1RM ajustée, avec trois essais valides par sujet. Le mouvement débute, conformément aux critères standards (IPF, 2024) par une phase de mise en charge de la barre, suivie d'une descente contrôlée jusqu'à une profondeur objectivée par le passage du pli de la hanche sous le niveau supérieur du genou. La phase concentrique sera réalisée de manière continue jusqu'à l'extension complète des hanches et des genoux, sans assistance externe ni modification des appuis. Le mouvement sera validé uniquement après immobilisation finale. Pour s'assurer que les participants développaient une puissance maximale, il sera demandé aux sportifs d'effectuer la phase concentrique de chaque répétition à vitesse maximale. Trois minutes de récupération seront également accordées entre les répétitions.
Lors de la phase de mesure, la composante cinématique sera évaluée par le biais de 14 caméras optoélectroniques (Arqus A5 ; Qualysis compagny, Suède) et un modèle de corps complet avec 81 marqueurs réfléchissants. La position de chaque marqueur technique et anatomique sera mesurée suivant les 3D avec une fréquence d'acquisition de 100 Hz permettant ainsi de définir l'orientation des segments, de calculer les angles articulaires et d'en déduire la relation « tronc-tibia », coordination hanche-genou (cinématique/temporalité). De plus, un marqueur sera positionné au centre de la barre pour estimer sa vitesse. Cette mesure permettra d'établir la relation charge-vitesse nécessaire à l'estimation du 1RM.
Pour évaluer l'engagement du core stability, un modèle basé sur le ratio de co-contraction dirigé (DCCR) et la quantité de co-contractions (CCI) permettra d'évaluer respectivement l'équilibre agoniste-antagoniste et la raideur rachidienne en ayant recours au mesures electromyographique (Boggess et al., 2017 ; Bandini et al., 2023). Pour se faire, les athlètes seront équipés de 14 électrodes de surfaces EMG Delsys Trigno (Delsys, Natick, USA) avec une fréquence d'échantillonnage de 2000 Hz. La peau sera préalablement rasée, abrasée et nettoyée pour assurer un contact optimal entre les électrodes et la surface cutanée. Les électrodes seront positionnées conformément aux recommandations SENIAM sur les muscles suivants : 1) gluteus maximus ; 2) erector spinae lumbar au niveau de L3 ; 3) erector spinae thoracis au niveau de T12 ; 4) obliquus externus ; 5) transversus abdominis / obliquus internus ; 6) rectus abdominis ; 7) tensor fasciae latae. Les signaux EMG seront exprimée en pourcentage de la contraction volontaire maximale isométrique (MVCI) réalisées pour chaque muscle. Les indices de co-contraction (DCCR, CCI) seront ensuite calculés à partir de ces signaux EMG normalisés, de façon à assurer la comparabilité des résultats entre les deux groupes.
La force de réaction au sol exercée sous chaque pied sera mesurée à une fréquence de 1000 Hz par le biais de deux plateformes de force (OR6-7, AMTI, MA, USA). Ces mesures seront utilisées pour extraire les déplacements du centre de pression, afin de permettre l'analyse de l'équilibre postural. Dans un second temps, les couples articulaires seront calculés par dynamique inverse, ce qui permettra d'estimer la répartition des efforts.
-Analyse statistique
Pour chaque variable biomécanique étudiée, les valeurs seront moyennées sur les trois essais afin de limiter la variabilité intra individuelle et d'obtenir une estimation représentative de la stratégie motrice adoptée par chaque participant. Les comparaisons entre les deux groupes seront réalisées à l'aide de tests t de Student ou Mann-Whitney pour échantillons indépendants, permettant d'évaluer les différences potentielles entre hommes et femmes.

- Etude 2 - Étude de l'impact de l'expertise et du port de ceinture de force
Contexte
L'adaptation musculo-squelettique désigne la capacité du système moteur à ajuster ses réponses en fonction des variations des stimuli environnementaux, des exigences de la tâche, ainsi que de l'expérience individuelle. Ce processus implique une interaction complexe entre les mécanismes neuronaux et les propriétés mécaniques et contractiles des muscles, permettant d'optimiser la coordination, l'efficacité du mouvement et la performance. De nombreuses études ont montré que ces stratégies adaptatives diffèrent significativement selon le niveau d'expertise (Dinu & Louis, 2020 ; Goubault et al. 2020 ; Fadillioglu et al., 2022). Les experts présentent des organisations motrices distinctes des novices, caractérisées par des différences significatives sur les plans cinématique, cinétique et électromyographique.
Par ailleurs, les stratégies d'adaptation du système musculosquelettique peuvent également être modulé par l'utilisation d'aides techniques destinés à soutenir ou stabiliser certaines structures corporelles. Dans le cadre du squat, l'utilisation d'une ceinture de force est fréquemment rapportée, aussi bien chez les pratiquants de musculation récréative que chez les athlètes de forces athlétique lors de la manipulation de charges élevées. Certains travaux, menés chez des hommes sans la prise en compte du niveau d'expertise, suggèrent que le port d'une ceinture procure une sensation de soutien, une diminution significative de la lordose lombaire, une meilleure stabilisation lombaire et un transfert de charge vers les muscles profond avec une diminution de l'activité des érecteurs spinaux et une augmentation du 1RM (Zink et al., 2001 ; Enoki et al., 2025 ; Herbaut & Tuloup., 2025). Cependant, les travaux disponibles font état d'effets limités, voire inexistants, concernant l'influence du niveau d'expertise, ainsi que l'effet combinée de l'expertise et du port de la ceinture de force, sur les paramètres biomécaniques et la performance lors du back squat réalisé à charges élevées. De plus, ces questions demeurent encore inexplorées chez les femmes.
Il apparait donc pertinent d'examiner les adaptations du système musculosquelettique induites par le niveau d'expertise et le port d'une ceinture de force, en analysant à la fois les paramètres biomécaniques.

Design expérimental
Population
Deux groupes de participantes de sexe féminin seront recrutés : un groupe expert (n= 25) et un groupe initié (n=25). Les participantes seront recrutées via des clubs de force athlétique et des salles de sport de la Métropole du Grand Nancy et de l'Eurométropole de Metz, et au travers d'une collaboration avec la Fédération Française de Force. Les athlètes seront considérés comme expertes si elles pratiquent le back squat de manière régulière et continue depuis au moins 3 ans, et présentent un niveau de force correspondant à une performance minimale de 130% de leur masse corporelle. Les participantes seront classées comme initiées si elles pratiquent depuis 2 à 12 mois et présentent une performance minimale équivalente à 100% de leur masse corporelle (Santos Junior et al., 2021). Elles seront âgées de 18 à 40 ans et n'auront pas réalisé de compétitions dans les 3 jours précédant les mesures. De plus, ils ne présenteront pas de troubles neurologiques ou orthopédiques, de blessures datant de moins de 2 mois avant le début de l'étude, ou de douleurs la semaine précédant l'étude. La taille de l'échantillon estimée sur la base d'une taille d'effet de 0,25 pour atteindre une puissance de 90 % avec un seuil alpha de 0,05, était de 23 participants/groupe.
Les données anthropométriques recueillies seront l'âge, la taille, la masse et la taille des membres inférieurs et supérieurs. Les participants, ainsi que leurs entraîneurs et l'encadrement médical seront informés des objectifs, des bénéfices et des risques de l'étude.

Protocole
La procédure expérimentale sera réalisée de manière identique à celle de l'étude 1 concernant le protocole d'échauffement standardisé (i). La détermination individualisée du 1RM (ii)ainsi que la phase de test dédiée à l'analyse biomécanique à 90% du 1RM (iii) seront réalisées selon deux conditions expérimentales distinctes : avec et sans ceinture de force, dans un ordre randomisé. La valeur du 1RM estimée dans chaque condition permettra d'évaluer l'impact du port de la ceinture sur la performance. Pour les comparaisons biomécaniques, la valeur la plus faibles du 1RM obtenue entre les deux conditions sera retenu et utilisée pour l'ensemble des analyses. Chaque participante effectuera six répétitions au total avec, réparties en trois répétions sans ceinture et trois répétitions avec ceinture, en utilisant la charge correspondant à 90% de la valeur la plus faible du 1RM. Plusieurs tailles de ceintures de force autorisé dans le cadre de compétition seront mises à disposition. Cinq minutes de repos seront accordées entre les 2 conditions. Les critères d'exécution et de validation du squat seront identiques à ceux définis dans l'étude 1.
Les données cinématiques, cinétique et électromyographiques seront recueillies par un set up identique à celui de l'étude 1, notamment le déplacement du COP, la répartition de la charge entre hanche et genou, la relation tronc-tibia, la coordination hanche-genou (cinématique/temporalité) et le ratio de Co-contraction dirigé (DCCR) et la quantité de Co-contraction (CCI).
-Analyse statistique
Les analyses statistiques auront pour objectif d'examiner l'influence de l'expertise et du port de ceinture de force sur les stratégies adoptées par le système musculosquelettique lors du back squat. Pour chaque variable dépendante, les données seront moyennées sur les trois essais afin de limiter la variabilité intra-individuelle. L'effet de l'expertise, de la ceinture et leur interaction sera évalué à l'aide d'une ANOVA à mesures répétées à plan mixte, avec l'expertise en facteur intergroupe (expert vs initié) et la condition avec et sans ceinture en facteur intra-sujet. En cas d'effet significatif, des comparaisons post-hoc seront réalisées pour identifier les paramètres impliqués.